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JP6014528B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。   Embodiments described herein relate generally to a fuel cell stack.

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体(MEA)の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、この単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けることにより構成されている。   The fuel cell stack using a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte is provided with gas flow passages on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) in which the electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. A single-cell battery is configured by arranging an electrically conductive separator, and both ends of a laminate in which a plurality of single-cell batteries are stacked are held by end plates, and a plurality of studs are passed through holes that penetrate both end plates, and springs are formed. It is comprised by fastening a laminated body via.

このような燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料(水素)並びに酸化剤(空気)、及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、これら反応ガス・冷却水を燃料電池スタックに分配し、かつ回収するマニホールドが設けられている。   It is necessary to uniformly supply fuel (hydrogen) and oxidant (air) necessary for the reaction and cooling water necessary for cooling to each single cell battery of such a fuel cell stack. A manifold is provided for distributing and recovering water to the fuel cell stack.

燃料電池スタックにマニホールドを設ける方式には内部マニホールド方式と外部マニホールド方式があるが、外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを積層体の両側側面に配置して、それらを通して反応ガス・冷却水を流通させている。   There are two types of manifolds in the fuel cell stack: an internal manifold system and an external manifold system. In the external manifold system, the gas flow path provided in the separator is extended to the end of the separator and opened to the side of the stack, and separated. The external manifold is arranged on both side surfaces of the laminate, and the reaction gas and cooling water are circulated through them.

このように、外部マニホールド方式は、セパレータがマニホールドを含まないため、セパレータは膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにすることができ、コストダウンに有利である。また外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能であるので、コストアップを最小限に抑えることができる。また、マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路に、均一にガスや冷却水を分配することが可能である。   Thus, in the external manifold system, since the separator does not include a manifold, the separator has the same size as the effective area of the membrane electrode assembly, and the separator can be made compact, which is advantageous for cost reduction. Further, since it is possible to use an inexpensive insulating plastic for the external manifold, the cost increase can be minimized. In addition, the volume of the manifold can be set without being restricted by the size of the separator, and gas and cooling water can be evenly distributed to the gas / cooling water flow passages of each single cell battery constituting the laminate. It is.

特許第3444484号公報Japanese Patent No. 3444484

外部マニホールド方式では、マニホールドと積層体側面の間から液体(冷却水)およびガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が漏れないようにシールすることが必要であり、このシールは、通常、マニホールドの周縁部と積層体側面との間にシール部材を配置することなどで行われている。しかし、積層体のコーナー部分には、このシール部材の外側となる領域が存在し、その領域では、液体およびガスはマニホールドと積層体との間のシールおよび積層体を構成するセル間のシールで遮断されているだけであり、シールは不十分である。即ち、この領域では、発電運転中の液体およびガスのリークをある許容値以内に抑制することはできるが、例えば長時間電池スタック内に水を保持した場合など、その水圧および浸透力により微小の水がリークするという問題がある。   In the external manifold system, it is necessary to seal so that liquid (cooling water) and gas (fuel gas, oxidant gas) do not leak from between the manifold and the side of the laminate. For example, a sealing member is disposed between the portion and the side surface of the laminated body. However, there is an area outside the seal member at the corner of the laminate, in which liquid and gas are sealed between the manifold and the laminate and between the cells that make up the laminate. It is only shut off and the seal is insufficient. That is, in this region, the leakage of liquid and gas during the power generation operation can be suppressed within a certain allowable value, but, for example, when water is held in the battery stack for a long time, the water pressure and osmotic force cause a minute amount. There is a problem that water leaks.

特に、電池スタックを水パージすることにより劣化を防ぎ、ガス出入口の制御バルブを簡略化した構成では、電池スタックを燃料電池システムのパッケージ内において下側に配置する必要があり、電池スタックからの水リークをゼロに抑える必要がある。   In particular, in a configuration in which the battery stack is purged with water to prevent deterioration and the gas inlet / outlet control valve is simplified, the battery stack needs to be disposed in the lower side in the package of the fuel cell system. It is necessary to suppress the leak to zero.

本発明が解決しようとする課題は、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる外部マニホールドのシール構造を備える燃料電池スタックを提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell stack having a seal structure of an external manifold that can prevent not only liquid and gas during operation but also minute oozing of water in the battery stack during stopped storage. It is to provide.

実施形態によれば、固体高分子電解質膜を第1及び第2のガス拡散電極で挟持してなる膜電極複合体と、前記第1のガス拡散電極に接する燃料ガス流通路を有する第1のセパレータと、前記第2のガス拡散電極に接する酸化剤ガス流通路を有する第2のセパレータとを備える単位電池を複数個積層してなる積層体、前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールドを具備し、前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第2のシール部材によりシールされている。 According to the embodiment, the first electrode has a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between first and second gas diffusion electrodes, and a fuel gas flow passage in contact with the first gas diffusion electrode. A laminate comprising a plurality of unit cells each including a separator and a second separator having an oxidant gas flow passage in contact with the second gas diffusion electrode, and the fuel gas flow passage of the laminate is opened. A fuel gas external manifold that is disposed on a side surface and communicates with the fuel gas flow passage, and an oxidant gas exterior that is disposed on a side surface where the oxidant gas flow passage of the laminate is open and communicates with the oxidant gas flow passage. comprising a manifold, and the fuel gas external manifolds and the stack is sealed by the first sealing member fuel gas outer manifold side and the oxidizing gas outer manifold and the laminate It sealed by the first sealing member oxidant gas external manifold side, wherein the adjacent fuel gas outer manifold and the oxidant gas external manifold is sealed by the second sealing member.

第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図である。It is a top view which shows the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 図1に示す固体高分子型燃料電池を構成する燃料電池スタックのA−A’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of the fuel cell stack which comprises the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. マニホールドシール部のシールの作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the seal | sticker of a manifold seal part. 図1に示す固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the manifold seal part of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図である。It is a top view which shows the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on 2nd Embodiment. 図5に示す固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the manifold seal part of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the manifold seal part of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のマニホールドシール部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the manifold seal part of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on 3rd Embodiment.

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図、図2は、図1に示す固体高分子型燃料電池を構成する燃料電池スタック10のA−A’断面図である。図1及び図2において、燃料電池スタック10の個々の単セル電池11は、膜・電極複合体(MEA)12、燃料セパレータ13、及び酸化剤・冷却水セパレータ14により構成されている。燃料セパレータ13の表面には燃料ガス流通路13aが設けられており、その端部は燃料電池スタック10の側面に開口している。酸化剤・冷却水セパレータ14の一方の表面には酸化剤ガス流通路14aが、もう一方の表面には冷却水流通路14bが設けられており、それらの端部は燃料電池スタック10の側面に開口している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view showing the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment, and FIG. 2 is an AA view of a fuel cell stack 10 constituting the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 'Cross section. In FIG. 1 and FIG. 2, each single cell battery 11 of the fuel cell stack 10 includes a membrane / electrode assembly (MEA) 12, a fuel separator 13, and an oxidant / cooling water separator 14. A fuel gas flow passage 13 a is provided on the surface of the fuel separator 13, and an end thereof opens to the side surface of the fuel cell stack 10. An oxidant gas flow passage 14 a is provided on one surface of the oxidant / cooling water separator 14, and a cooling water flow passage 14 b is provided on the other surface, and their end portions open to the side surface of the fuel cell stack 10. doing.

単セル電池11を複数個積層されて構成される燃料電池スタック10の外部側面には、酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21、酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド22、燃料ガス入口マニホールド31、燃料ガス出口マニホールド32が配置されている。酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21及び酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド22は、酸化剤ガス流通路14a及び冷却水流通路14bと連通し、燃料ガス入口マニホールド31及び燃料ガス出口マニホールド32は、燃料ガス流通路13aと連通していて、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜電極複合体に供給し、排出し、所定の流量の冷却水を供給して、反応に伴う発熱の除去を行う。   An oxidant gas inlet / cooling water outlet manifold 21, an oxidant gas outlet / cooling water inlet manifold 22, and a fuel gas inlet manifold 31 are provided on the outer side surface of the fuel cell stack 10 formed by stacking a plurality of single cell batteries 11. A fuel gas outlet manifold 32 is arranged. The oxidant gas inlet / cooling water outlet manifold 21 and the oxidant gas outlet / cooling water inlet manifold 22 communicate with the oxidant gas flow passage 14a and the cooling water flow passage 14b, and the fuel gas inlet manifold 31 and the fuel gas outlet manifold 32 are connected to each other. The fuel gas flow passage 13a communicates with the fuel / oxidant gas necessary for the reaction, supplied to the membrane electrode assembly, discharged, and supplied with cooling water at a predetermined flow rate to remove heat generated by the reaction. I do.

各マニホールド21,22,31,32は、ガス不透過性と電気絶縁性を有することが必要であり、通常、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を金型により圧縮成形もしくはインジェクション成形することにより製造される。これに用いる熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド(PPS)、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などが挙げられる。各マニホールドは、積層体側を開口部とした箱状の形状を有し、マニホールドの側面および内面に燃料電池スタック10側からマニホールド底面に向かって抜きテーパが設けられ、それによって金型からの離型性が確保されている。   Each of the manifolds 21, 22, 31, and 32 needs to have gas impermeability and electrical insulation, and is usually manufactured by compression molding or injection molding of a thermoplastic resin or a thermosetting resin with a mold. Is done. Examples of the thermoplastic resin used for this include polyphenylene sulfide (PPS), and examples of the thermosetting resin include an epoxy resin and a phenol resin. Each manifold has a box shape with an opening on the side of the laminate, and a taper is provided on the side surface and the inner surface of the manifold from the fuel cell stack 10 side toward the bottom surface of the manifold, thereby releasing the mold from the mold. Is secured.

燃料電池スタック10の側面に接するマニホールドの周縁部のシール面には、断面が矩形のシール溝が周縁部全周にわたって設けられている。シール溝にはシール材が挿入されており、これによってガス/冷却水のリークを防いでいる。   A seal groove with a rectangular cross section is provided over the entire periphery of the peripheral edge of the manifold in contact with the side surface of the fuel cell stack 10. A seal material is inserted into the seal groove, thereby preventing leakage of gas / cooling water.

図2に示すように、膜・電極複合体(MEA)12は、高分子電解質膜41の両側にアノード触媒層42a及びカソード触媒層43aを配置し、さらにそれらの外側にガス拡散層42b,43bを配置して構成される。電解質膜41は、イオン伝導性とともにガスバリア性を有することが必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、燃料セパレータ13及び酸化剤・冷却水セパレータ14と同じ大きさまで延長されている。   As shown in FIG. 2, in the membrane / electrode assembly (MEA) 12, an anode catalyst layer 42a and a cathode catalyst layer 43a are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane 41, and gas diffusion layers 42b and 43b are disposed outside them. Arranged. The electrolyte membrane 41 needs to have gas barrier properties as well as ion conductivity, and is extended to the same size as the fuel separator 13 and the oxidant / cooling water separator 14 in order to prevent mixing of the reaction gas.

触媒層42a,43aは、燃料セパレータ13及び酸化剤・冷却水セパレータ14や電解質膜41よりも一回り小さく、その周囲(セパレータ13,14と電解質膜41との間の空隙)には反応ガスをシールするエッジシール材51が配置されている。エッジシール材51は、ガス流通路の端部と同じ位置に配置されている。一方、燃料ガスマニホールド31,32の開口部は破線で示された位置にあり、ガス流通路よりも内側に位置している。   The catalyst layers 42 a and 43 a are slightly smaller than the fuel separator 13, the oxidant / cooling water separator 14 and the electrolyte membrane 41, and reactive gas is passed around them (the gap between the separators 13 and 14 and the electrolyte membrane 41). An edge sealing material 51 for sealing is disposed. The edge seal material 51 is disposed at the same position as the end of the gas flow passage. On the other hand, the openings of the fuel gas manifolds 31 and 32 are located at the positions indicated by broken lines, and are located inside the gas flow passage.

図3に、燃料電池スタック10と、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21との間のマニホールドシール部の拡大図を示す。燃料電池スタック10の外部側面にマニホールド、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21が配置されており、マニホールド21のシール溝21a内にマニホールドシール61が配置されている。マニホールドシール61は断面が円形もしくは楕円のOリング状であり、シリコンゴム、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)などのゴム材料を金型により圧縮成形あるいはインジェクション成形することにより製造される。   FIG. 3 shows an enlarged view of a manifold seal portion between the fuel cell stack 10 and, for example, an oxidant gas inlet / cooling water outlet manifold 21. A manifold such as an oxidant gas inlet / cooling water outlet manifold 21 is disposed on the outer side surface of the fuel cell stack 10, and a manifold seal 61 is disposed in the seal groove 21 a of the manifold 21. The manifold seal 61 has an O-ring shape with a circular or elliptical cross section, and is manufactured by compression molding or injection molding a rubber material such as silicon rubber, fluorine rubber, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) with a mold.

図3(a)はマニホールド21に荷重をかける前の状態を示す。マニホールドシール61には荷重がかかっておらず、断面形状は楕円のままである。マニホールドシール61の高さ(Oリングの幅)はマニホールドシール溝21aの深さより大きく設定されている。図3(b)はマニホールド21に荷重をかけた後の状態を示す。荷重によりシール61が縮み、上下の接触面にシール圧がかかり、ガス/冷却水が確実にシールされる。   FIG. 3A shows a state before a load is applied to the manifold 21. No load is applied to the manifold seal 61, and the cross-sectional shape remains elliptical. The height of the manifold seal 61 (the width of the O-ring) is set larger than the depth of the manifold seal groove 21a. FIG. 3B shows a state after applying a load to the manifold 21. The seal 61 contracts due to the load, and seal pressure is applied to the upper and lower contact surfaces, and the gas / cooling water is reliably sealed.

図1に示すように、マニホールドシール溝およびマニホールドシールからなるシール部材は、燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間に加え、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間にも設けられている。その拡大図を図4に示す。図4に示すように、燃料ガスマニホールド31と燃料電池スタック10の側面との間のシール面には、シール溝33a及びその中に配置されたシール62aが設けられているが、その上方の酸化剤ガス・冷却水マニホールド21との間のシール面には、シール溝33bが設けられ、その中にシール62bが配置されている。即ち、燃料ガスマニホールド31と燃料電池スタック10の側面との間に、シール溝33a及びシール62aからなる第1のシール部材が設けられ、燃料ガスマニホールド31と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21との間に、シール溝33b及びシール62bからなる第2のシール部材が設けられている。   As shown in FIG. 1, the seal member including the manifold seal groove and the manifold seal is provided between the side surface of the fuel cell stack 10 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21, 22 and the fuel gas manifolds 31, 32. It is also provided between the sealing surfaces of the gas manifolds 31 and 32 and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22. The enlarged view is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the seal surface between the fuel gas manifold 31 and the side surface of the fuel cell stack 10 is provided with a seal groove 33a and a seal 62a disposed therein. A seal groove 33b is provided on the seal surface between the agent gas / cooling water manifold 21 and a seal 62b is disposed therein. That is, a first seal member including a seal groove 33 a and a seal 62 a is provided between the fuel gas manifold 31 and the side surface of the fuel cell stack 10, and the fuel gas manifold 31 and the oxidant gas / cooling water manifold 21 are connected to each other. A second seal member including a seal groove 33b and a seal 62b is provided therebetween.

燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間においては、図3に示すようなシール(第1のシール部材)により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,32の側面との間においても、シール溝33bを設け、その中にシール62bを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。   Between the side surface of the fuel cell stack 10 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 and the fuel gas manifolds 31 and 32, liquid and gas are allowed by a seal (first seal member) as shown in FIG. Although it is sealed below the value, minute leaks from the corner exposed to the outside of the seal cannot be prevented. On the other hand, a seal groove 33b is also provided between the seal surfaces of the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 32, and the seal 62b is disposed therein, so that the second By providing the seal member, it is possible to completely prevent a minute leak at the corner portion.

(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの内部構造を示す上面図である。図5に示す燃料電池スタックが図1に示す第1の実施形態に係る燃料電池スタックと異なる点は、マニホールドシール部のみである。図1に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面と同一平面上にある。これに対し、図5に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜したテーパ面とされている。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a top view showing the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the second embodiment. The fuel cell stack shown in FIG. 5 is different from the fuel cell stack according to the first embodiment shown in FIG. 1 only in the manifold seal portion. In the fuel cell stack shown in FIG. 1, the seal surfaces between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are the side surfaces of the fuel gas manifolds 31 and 32 and the fuel cell stack 10. Are coplanar with the sealing surface between. On the other hand, in the fuel cell stack shown in FIG. 5, the seal surfaces between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are separated from the fuel gas manifolds 31 and 32 and the fuel cell stack. The taper surface is inclined at a predetermined angle with respect to the seal surface between the ten side surfaces.

図5のマニホールドシール部の拡大図を図6に示す。図6に示すように、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシールは、図1及び図4に示すマニホールドシール部と同様であり、シール溝33aが設けられ、その中にシール62aが配置されているが、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22との間のシールのシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜しており、即ち、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22とは、テーパ面で接している。図5に示すように、燃料ガスマニホールド31,32の傾斜したシール面にシール溝33cが設けられ、その中にシール62cが配置され、第2のシール部材が設けられている。   An enlarged view of the manifold seal portion of FIG. 5 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the seal between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surface of the fuel cell stack 10 is the same as the manifold seal portion shown in FIGS. 1 and 4, and a seal groove 33 a is provided. The seal 62a is disposed therein, and the seal surface of the seal between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 is provided between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the fuel cell stack 10. The fuel gas manifolds 31 and 32 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are in contact with the tapered surfaces with respect to the seal surface between the side surfaces. As shown in FIG. 5, a seal groove 33c is provided on the inclined seal surfaces of the fuel gas manifolds 31 and 32, a seal 62c is disposed therein, and a second seal member is provided.

燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間においては、図3に示すようなシール(第1のシール部材)により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間においても、シール溝33cを設け、その中にシール62cを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。   Between the side surface of the fuel cell stack 10 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 and the fuel gas manifolds 31 and 32, liquid and gas are allowed by a seal (first seal member) as shown in FIG. Although it is sealed below the value, minute leaks from the corner exposed to the outside of the seal cannot be prevented. On the other hand, a seal groove 33c is also provided between the seal surfaces of the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22, and the seal 62c is disposed therein, so that the second By providing the seal member, it is possible to completely prevent a minute leak at the corner portion.

なお、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22との接触面をテーパ面とすることにより、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22とを独立して燃料電池スタック10の側面に取り付けることが可能となり、それによって組立作業性が向上するという効果も得られる。   The contact surfaces between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are tapered so that the fuel gas manifolds 31 and 32 and the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are connected. It can be independently attached to the side surface of the fuel cell stack 10, thereby improving the assembly workability.

(第3の実施形態)
図7及び図8は、第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックのマニホールドシール部を拡大して示す断面図である。図1〜6に示す燃料電池スタックのマニホールドシール部では、燃料ガスマニホールド31,32及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22と、燃料電池スタック10の側面との間のシールは、燃料ガスマニホールド31,32及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側にシール溝23,33aが設けられ、その中にシール61,62aが配置されて、第1のシール部材によって行われている。
(Third embodiment)
7 and 8 are enlarged cross-sectional views of the manifold seal portion of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the third embodiment. 1 to 6, the seals between the fuel gas manifolds 31 and 32, the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22, and the side surface of the fuel cell stack 10 are provided as fuel gas manifolds. 31 and 32 and oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 are provided with seal grooves 23 and 33a, and seals 61 and 62a are disposed therein, which are performed by a first seal member.

これに対し、図7に示す例では、酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22に接する燃料電池スタック10の側にシール溝73aを設け、その中にシール61を配置している。また、図8に示す例では、燃料ガスマニホールド31,32に接する燃料電池スタック10の側にシール溝73bを設け、その中にシール62aを配置している。   On the other hand, in the example shown in FIG. 7, a seal groove 73a is provided on the side of the fuel cell stack 10 in contact with the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22, and the seal 61 is disposed therein. In the example shown in FIG. 8, a seal groove 73b is provided on the side of the fuel cell stack 10 in contact with the fuel gas manifolds 31 and 32, and a seal 62a is disposed therein.

また、図示しないが、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール、及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22と燃料電池スタック10の側面との間のシールの双方において、燃料電池スタック10の側にシール溝を設け、その中にシールを配置することも可能である。   Although not shown, both the seal between the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surface of the fuel cell stack 10 and the seal between the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 and the side surface of the fuel cell stack 10 are both shown. It is also possible to provide a seal groove on the fuel cell stack 10 side and place the seal therein.

このような第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックにおいても、上述した第1の実施形態及び第2の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。   In such a polymer electrolyte fuel cell stack according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment described above can be obtained.

即ち、酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシールを第1のシール部材により行うことに加え、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間においても、シール溝を設け、その中にシールを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークを完全に防ぐことができる。   That is, in addition to performing sealing between the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22 and the fuel gas manifolds 31 and 32 and the side surface of the fuel cell stack 10 with the first seal member, Between the seal surface and the side surfaces of the oxidant gas / cooling water manifolds 21 and 22, a seal groove is provided, a seal is disposed therein, and a second seal member is provided, so that a minute leak at the corner portion is prevented. Can be completely prevented.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる。   According to at least one embodiment described above, it is possible to prevent not only liquid and gas during operation but also minute oozing of water in the battery stack during stopped storage.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…燃料電池スタック、11…単セル電池11、12…膜・電極複合体(MEA)、13…燃料セパレータ、13a…燃料ガス流通路、14…酸化剤・冷却水セパレータ、14a…酸化剤ガス流通路、14b…冷却水流通路、21…酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド、21a,33c…シール溝、22…酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド、31…燃料ガス入口マニホールド、32…燃料ガス出口マニホールド、41…高分子電解質膜、42a…アノード触媒層、42b,43b…ガス拡散層、43a…カソード触媒層、51…エッジシール材、61,62a,62b,62c…マニホールドシール   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack, 11 ... Single cell battery 11, 12 ... Membrane electrode assembly (MEA), 13 ... Fuel separator, 13a ... Fuel gas flow path, 14 ... Oxidant / cooling water separator, 14a ... Oxidant gas Flow passage, 14b ... Cooling water flow passage, 21 ... Oxidant gas inlet / cooling water outlet manifold, 21a, 33c ... Seal groove, 22 ... Oxidant gas outlet / cooling water inlet manifold, 31 ... Fuel gas inlet manifold, 32 ... Fuel Gas outlet manifold, 41 ... polymer electrolyte membrane, 42a ... anode catalyst layer, 42b, 43b ... gas diffusion layer, 43a ... cathode catalyst layer, 51 ... edge seal material, 61, 62a, 62b, 62c ... manifold seal

Claims (5)

固体高分子電解質膜を第1及び第2のガス拡散電極で挟持してなる膜電極複合体と、前記第1のガス拡散電極に接する燃料ガス流通路を有する第1のセパレータと、前記第2のガス拡散電極に接する酸化剤ガス流通路を有する第2のセパレータとを備える単位電池を複数個積層してなる積層体、
前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び
前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールド
を具備し、
前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第2のシール部材によりシールされていることを特徴とする燃料電池スタック。
A membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between first and second gas diffusion electrodes, a first separator having a fuel gas flow passage in contact with the first gas diffusion electrode, and the second A laminate comprising a plurality of unit cells each having a second separator having an oxidant gas flow passage in contact with the gas diffusion electrode;
The fuel gas flow passage of the laminate is disposed on a side surface where the fuel gas flow passage is open, a fuel gas external manifold communicating with the fuel gas flow passage, and the oxidant gas flow passage of the stack is disposed on a side surface of the stack, An oxidant gas external manifold communicating with the oxidant gas flow passage,
The fuel gas external manifold and the laminate are sealed by a fuel gas external manifold side first seal member, and the oxidant gas external manifold and the laminate are sealed by an oxidant gas external manifold side first seal member. The fuel cell stack is characterized in that the adjacent fuel gas external manifold and oxidant gas external manifold are sealed by a second seal member.
前記隣接する燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドのいずれか一方の周端部は、他方のマニホールドの周端部側面に接するように延長しており、この延長部にシール溝が形成され、前記シール溝内にシール材が配置されて第2のシール部材を構成することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   One of the peripheral ends of the adjacent fuel gas external manifold and oxidant gas external manifold extends so as to contact the side surface of the peripheral end of the other manifold, and a seal groove is formed in the extended portion. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a sealing material is disposed in the sealing groove to constitute a second sealing member. 前記隣接する燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドのいずれか一方の周端部と、他方のマニホールドの周端部とは、前記積層体の側面に対し傾斜した面で接しており、これら傾斜面のいずれか一方にシール溝が形成され、前記シール溝内にシール材が配置されて第2のシール部材を構成することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   The peripheral end of one of the adjacent fuel gas external manifold and oxidant gas external manifold and the peripheral end of the other manifold are in contact with each other at a surface inclined with respect to the side surface of the laminate. 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a seal groove is formed in one of the surfaces, and a seal material is disposed in the seal groove to constitute a second seal member. 前記第1のシール部材は、前記燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドの周端部の前記積層体と接する面に形成されたシール溝と、このシール溝内に配置されたシール材とにより構成されることを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池スタック。   The first seal member includes a seal groove formed on a surface of the peripheral end portion of the fuel gas external manifold and the oxidant gas external manifold in contact with the stacked body, and a seal material disposed in the seal groove. The fuel cell stack according to claim 2, wherein the fuel cell stack is configured. 前記第1のシール部材は、前記積層体の、前記燃料ガス外部マニホールド及び酸化剤ガス外部マニホールドの周端部と接する面に形成されたシール溝と、このシール溝内に配置されたシール材とにより構成されることを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池スタック。   The first seal member includes a seal groove formed on a surface of the laminate that is in contact with the peripheral end portions of the fuel gas external manifold and the oxidant gas external manifold, and a seal material disposed in the seal groove. The fuel cell stack according to claim 2 or 3, characterized by comprising:
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